Neue Studie deckt Ursachen von Batterierissen und Gegenmaßnahmen auf

University of Chicago, Pritzker School of Molecular Engineering, Chicago, IL

Jing Wang, Postdoktorandin an der University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering und dem Argonne National Laboratory, ist Erstautorin einer neuen Arbeit, die einige der Grundursachen – und Wege zur Milderung – der nanoskopischen Dehnungen aufdeckte, die zu Rissen in einer zunehmend beliebten Batterieform für Elektrofahrzeuge und andere Technologien führen können. (Bild: John Zich)

Lösung eines langjährigen Batterierätsels

Neue Forschung vom Argonne National Laboratory und der University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering hat ein großes Batteriemysterium gelöst, das zu Kapazitätsverlust, verkürzter Lebensdauer und in einigen Fällen Bränden führte.

In einer in Nature Nanotechnology veröffentlichten Arbeit deckten Forscher einige der Grundursachen – und Wege zur Milderung – der nanoskopischen Dehnungen auf, die zu Rissen in einer zunehmend beliebten Batterieform für Elektrofahrzeuge und andere Technologien führen können.

„Die Elektrifizierung der Gesellschaft braucht jedermanns Beitrag“, sagte einer der korrespondierenden Autoren Khalil Amine, Argonne Distinguished Fellow und Joint Professor an der University of Chicago. „Wenn Menschen Batterien nicht als sicher und langlebig vertrauen, werden sie sie nicht wählen.“

Vom Poly- zum Single-Crystal: Erwartungen nicht erfüllt

Aufgrund langjähriger Rissprobleme in Lithium-Ionen-Batterien, die polykristalline Ni-reiche Materialien (PC-NMC) in ihren Kathoden verwenden, wandten sich Forscher in den letzten Jahren einkristallinen Ni-reichen Schichtoxiden (SC-NMC) zu. Diese zeigten jedoch nicht immer ähnliche oder bessere Leistung als das ältere Modell.

Die neue Forschung, durchgeführt von Erstautorin Jing Wang während ihrer Promotionszeit, gemeinsam betreut von Professor Shirley Mengs Laboratory for Energy Storage and Conversion und Amines Advanced Battery Technology Team, enthüllte das zugrundeliegende Problem: Annahmen, die von polykristallinen Kathoden abgeleitet wurden, wurden fälschlicherweise auf einkristalline Materialien angewendet.

„Wenn Menschen versuchen, auf einkristalline Kathoden umzusteigen, haben sie ähnliche Designprinzipien wie bei polykristallinen befolgt“, sagte Wang, jetzt Postdoktorandin an der University of Chicago und Argonne. „Unsere Arbeit zeigt, dass der Hauptdegradationsmechanismus der einkristallinen Partikel anders ist als bei polykristallinen, was zu unterschiedlichen Zusammensetzungsanforderungen führt.“

„Nicht nur neue Designstrategien sind nötig, sondern auch unterschiedliche Materialien, um Single-Crystal-Kathodenbatterien ihr volles Potenzial entfalten zu lassen“, sagte Meng, die auch Direktorin der Energy Storage Research Alliance (ESRA) mit Sitz am Argonne ist. „Indem wir besser verstehen, wie sich verschiedene Kathodenmaterialtypen degradieren, können wir helfen, eine Suite leistungsfähiger Kathodenmaterialien für die weltweiten Energiebedürfnisse zu entwerfen.“

Unterschiedliche Degradationsmechanismen

Beim Laden und Entladen einer polykristallinen Kathodenbatterie quellen die winzigen, gestapelten Primärpartikel auf und schwinden. Diese wiederholte Ausdehnung und Kontraktion kann die Korngrenzen, die die Polykristalle trennen, verbreitern – ähnlich wie wiederholtes Gefrieren und Auftauen Schlaglöcher in Stadtstraßen verursacht. „Typischerweise liegt eine Volumenausdehnung oder -schrumpfung von etwa fünf bis zehn Prozent vor“, sagte Wang. „Sobald eine Ausdehnung oder Schrumpfung die elastischen Grenzen überschreitet, führt dies zu Partikelrissen.“

Wenn die Risse zu weit auseinanderklaffen, kann Elektrolyt eindringen, was zu unerwünschten Nebenreaktionen und Sauerstofffreisetzung führen kann, was Sicherheitsbedenken einschließlich der Gefahr eines thermischen Durchgehens aufwirft. Abgesehen von diesen dramatischen Umständen ist ein alltäglicherer Effekt Kapazitätsdegradation – die Batterien verblassen mit der Zeit und werden zunehmend unfähig, die gleiche Ladung zu liefern wie bei Neuzustand. Da sie nicht aus vielen gestapelten Kristallen bestehen, haben Single-Crystal-Kathodenmaterialien diese anfänglichen Korngrenzen nicht, degradierten aber dennoch.

„Wir haben gezeigt, dass Degradation in Single-Crystal-NMC-Kathoden vorwiegend durch einen distincten mechanischen Versagensmodus bestimmt wird“, sagte ein weiterer korrespondierender Autor, Tongchao Liu, Chemiker am Argonne. „Indem wir diesen bisher unterschätzten Mechanismus identifizieren, stellt diese Arbeit eine direkte Verbindung zwischen Materialzusammensetzung und Degradationspfaden her und liefert tiefere Einblicke in die Ursachen des Leistungsverfalls in diesen Materialien.“

Reaktionsheterogenität als Haupttreiber

Mithilfe von Multi-Skalen-Synchrotron-Röntgentechniken und hochauflösendem Transmissionelektronenmikroskop entdeckten sie, dass Risse in Single-Crystal-Kathoden hauptsächlich durch Reaktionsheterogenität getrieben werden. Partikel durchliefen Reaktionen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, was Dehnungen nicht zwischen vielen Kristallen wie bei Polykristall-Designs verursachte, sondern innerhalb eines einzelnen Kristalls.

Polykristall-Kathoden sind ein Balanceakt aus Nickel, Mangan und Kobalt. Kobalt verursacht Risse, war aber nötig, um ein separates Problem zu mildern – Li/Ni-Disorder.

Durch Bau und Test einer Nickel-Kobalt-Batterie (kein Mangan) und einer Nickel-Mangan-Batterie (kein Kobalt) fand das Team heraus, dass für Single-Crystal-Kathoden das Gegenteil zutraf. Mangan war mechanisch schädlicher als Kobalt, und Kobalt half den Batterien tatsächlich, länger zu halten.

Kobalt ist jedoch teurer als Nickel oder Mangan. Wang sagte, der nächste Schritt des Teams, um diese Laborinnovation in ein reales Produkt zu überführen, sei die Suche nach günstigeren Materialien, die Kobalts gute Ergebnisse replizieren.

„Fortschritte kommen in Zyklen“, sagte Amine. „Man löst ein Problem, dann geht man zum nächsten. Die in dieser kollaborativen Arbeit dargelegten Erkenntnisse werden zukünftigen Forschern helfen, sicherere, langlebigere Materialien für die Batterien von morgen zu schaffen.“

Für weitere Informationen kontaktieren Sie Khalil Amine unter: Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein.